中国航天已完成载人月球探测关键技术攻关和方案深化论证，制定了探月工程四期实施方案[1]．近期，中国载人航天工程办公室公布了中国载人登月初步方案，计划2030年前实现登月开展科学探索，其后将探索建造月球科研试验站，开展系统、连续的月球探测和相关技术试验验证．然而，我国在月面原位资源利用、月面基础设施建造、月球长期驻留科考等方面仍面临着诸多挑战，现有的工程施工理论、方法和技术将无法适用于这种情况[2]，因此，必须加快地外建造领域的预先研究和关键技术论证，为推动中国深空探测和空间科学发展、迈向航天强国提供基础性、战略性支撑．利用月球上丰富的月壤资源就地取材，开展月壤材料原位成形的月面原位建造方案，是建设永久性月球科研站及相关基础设施的必然选择．而月面环境下(高真空、大温变、强辐射、低重力、陨石冲击及高频低强月震等[3])月壤堆积性质、月壤成形机理、月壤构件服役性能等尚不清晰，目前在地球上可以开展部分单一极端环境因素影响的实验研究，如高低温循环条件、粒子辐照条件、真空落塔模拟低重力条件等，但对于高真空、大温变、强辐射、低重力等耦合极端条件高保真实验环境搭建存在极大困难；同时，地面加速试验无法重现材料在真实太空环境中的表现过程，严重制约了成形机理、长效服役性能评估与预测[4]．为此，可借助与月球环境相似的空间站实验平台，利用其高真空(10-10 Pa)、大温变(-180~150 ℃)、强辐射(90 mSv)、微重力(0~0.02g，g为重力加速度)等耦合极端环境优势，开展空间实验研究，认识并阐明空间环境下构件成形及服役行为和服役性能的演变规律，从而支撑我国月球科研站原位建设．2000年11月至今，国际空间站开展了约3 000次科学实验，涵盖了一系列学科的研究[5-7]，大部分实验旨在研究物体在微重力下的表现，以期将其应用于地球或太空探索新技术．为此，本文综述了国际空间站、中国空间站在微重力和空间极端环境下的相关实验研究，从颗粒堆积实验、材料凝固实验、舱外暴露实验三个方面梳理总结了当前空间站科学实验进展，以期为月面建造中的月壤采集、月壤成形、月壤构件服役评价等提供借鉴与参考，从而支撑月球科研站原位建设．1 空间站颗粒运动实验研究进展月球表面覆盖一层松散颗粒状物质风化层，其在月表小重力环境下的流动行为未知[8-9]，地质勘探及月壤开采作业时将扬起大量月尘，吸附于勘探设备表面，影响其正常工作，同时模糊航天员或摄像头终端的视野，干扰阻碍遥操作指挥勘探活动实施[3]．颗粒运动研究对于地外行星不同重力下表面颗粒状物质风化层的流动行为具有重要指导意义．自月球探测任务开始，月球表面粉尘的特殊性就引起了人们广泛关注[10]，如在不同重力水平下开展颗粒实验，从而明确颗粒表面流的重力依赖关系[11]．1.1　颗粒流动实验研究进展在国际空间站开展了地外天体风化层细颗粒介质流动的重力依赖特性研究，其结果对空间探测器和月壤开采机械的可靠设计和分析至关重要[12]．在真空环境下，通过离心机产生稳定的重力条件，开展了颗粒流动实验(图1)，对结果进行回归分析表明：质量流量遵循Beverloo定律，即稳态质量流量与重力加速度的平方根成正比，但低重力条件下存在一定偏差，表明颗粒介质的堆积密度随重力的降低而降低[13]．10.13245/j.hust.240800.F001图1国际空间站离心机内的实验设备[13]根据实验结果与Beverloo定律的偏差，进一步推导可以得到颗粒介质在稳态下的质量流率为νm=CfD(ξβρb)(ξg0)0.5，式中：Cf为流量系数；ρb为颗粒介质体积密度；g0为标准重力加速度；D为孔口直径和颗粒直径决定的变量；ξ为重力加速度相对于标准重力的比例因子；ξ β为修正密度系数．这一假设符合在较低重力加速度下下落的颗粒介质，其孔隙率增加，导致颗粒介质体积密度较小的现象．因此，可以假设修正系数为颗粒介质堆积密度的重力相关特征．1.2　颗粒震动实验研究进展为研究微重力下颗粒物质震动性质，国际空间站将约3 500个直径为856 μm球形玻璃颗粒放置在截面为50×50 mm的容器中，施加不同频率和幅值的振动后，对700次实验现象进行了定性描述，该现象包括颗粒团的形成和消失，颗粒气体的碰撞冷却及静电力对粒子间相互作用的影响[14]．实验观察到：搅拌有利于在容器内形成颗粒团运动，这是由于颗粒浓度在局部浓度提高形成的，如图2(a)所示；在内壁振动不同的样品中，其中一个壁与颗粒碰撞会比与另一个壁碰撞产生更多的动能，这可能导致颗粒对流，图2(b)红色箭头表示腔内流动场；通过颗粒二聚体的旋转频率得到颗粒间的黏聚力，从而可以分析颗粒间的接触信息及带电情况，如图2(c)所示．10.13245/j.hust.240800.F002图2微重力下球形玻璃颗粒震动[14]1.3　颗粒振动流化特性研究进展变重力条件下颗粒材料振动流化特性在中国空间站变重力科学实验柜中开展．利用空间站变重力柜提供的长期稳定的多种重力水平，开展模拟重力条件下颗粒滑坡与振动分聚等实验，为未来在空间微/次重力条件下操作颗粒状堆积、能源材料提供知识积累，为重大工程提供基础理论支撑，中国空间站变重力实验柜如图3所示，分别在变重力A1仓和A2仓开展两个实验[15]．10.13245/j.hust.240800.F003图3中国空间站变重力实验柜[15]在中国空间站和国际空间站的微重力条件下开展颗粒流动、振动、堆积等实验研究，探索颗粒在微重力条件下的堆积流变规律、颗粒的运动特征及相互作用、颗粒体系“崩塌”及混合颗粒体系在变重力场作用下颗粒分聚现象等，研究结果将为月面建造中勘测设备的设计和分析提供科学与技术支撑．例如，月面机械相互作用模型中须对粉末的体积密度进行调整，使密度随着重力的减小而减小．真空、重力、月震、高真空和高辐射环境为风化层颗粒间提供了独特的凝聚力，例如，月壤颗粒在太阳风辐照作用下易于带电，并可以在相当长的时间内保持带电状态[16]，通过对粉末带电碰撞的研究有利于开发出合适的月尘清洁装置和月尘屏蔽系统，以用于月面挖掘勘探时扬尘的干扰防护．2 空间站材料凝固实验研究进展利用风化层在地外建造关键基础设施中对确保人类生存和安全至关重要[17-18]，而地外环境下风化层材料的熔化、凝固、成形特性尚不明确．美国宇航局(NASA)和欧洲航天局(ESA)合作开发了材料科学研究框架，用于金属、陶瓷、半导体、玻璃和合金凝固等领域的基础材料科学研究[19-21]．国际空间站材料科学实验室首次阐明了熔体内流体流动对铸件微观组织的影响．在铝合金凝固实验的第一部分，只有微重力作用于样品，熔体内部的流场由两种基本类型的流动组成(图4(a))．而在实验的第二部分，旋转磁场被激活，以激发熔体的可控搅拌，如图4(b)所示，在旋转磁场不活跃的情况下，观察到均匀的微观结构．随着枝晶的不断产生，残余熔体耗尽，最终通过共晶凝固填充枝晶间区域，产生均匀分布的枝晶结构周期性矩形图案(暗区)．在旋转磁场作用下，磁搅拌引起强制对流，样品的微观结构发生了显著变化，形成复杂的枝间流场，将富含硅的残余熔体从固液共存区带向样品中心[22]．10.13245/j.hust.240800.F004图4流体流动对铸件微观组织的影响[22]为研究地面和国际空间站上定向凝固过程的区别，ESA和NASA合作开展了凝固实验．实验分别在美国克利夫兰州立大学和国际空间站微重力下进行，重点研究了定向凝固过程中对流对亚共晶Al-Si合金显微组织演变和宏观偏析的影响．实验观察到：在微重力环境下凝固的两个样品的枝晶指标与扩散控制生长和成熟的模型具有良好的一致性；而在地面凝固的样品中，重力驱动的对流(即热溶质对流)会减小原生枝晶臂间距和引起宏观偏析(图5)．上述结果表明：定向凝固过程中因重力引起的热溶质对流不仅减少了初生枝晶间的间距，还增加了初生枝晶主干直径，并且能以较高的生长速率(＞20 μm/s)凝固，可以减少均匀截面样品中的宏观偏析[23-24]．10.13245/j.hust.240800.F005图5定向凝固样品[23]在国际空间站的微重力条件下，采用垂直梯度冷冻法从GaSb(111)A面和(111)B面(Ga和Sb面)生长InGaSb三元合金．分析了GaSb中的Ga和Sb面溶解过程和InGaSb取向依赖生长特性．如图6所示，结果表明：在微重力条件下GaSb(111)B面溶解度大于(111)A，两种InGaSb样品中铟的分布在径向上是均匀的，在生长方向上由于偏析而逐渐减少．由于GaSb (111)B溶解度较高，GaSb (111)B面中InGaSb的生长速率比GaSb (111)A面高15.4%[25]．10.13245/j.hust.240800.F006图6国际空间站InGaSb生长样品[25]国际空间站进行了各种合金在微重力条件下的凝固实验．通过磁场控制流体和不同重力条件下合金定向凝固研究流体流动、显微组织演变和宏观偏析对合金凝固过程的影响，发现晶枝间距、直径、结构的变化．也在微重力下通过测量诱导生长条纹之间的距离，计算样品沿垂直位置的生长速率．上述研究将为月面建造中材料成形提供科学与技术支撑．如月面建造方法的3D打印和月球砖烧结拼装工艺，其成形的构件质量取决于熔融凝固过程中成分分布、晶粒尺寸和形状、孔隙率等微观组织特征．空间站实验可以获得月壤等材料在真空低重力下的熔融特性和凝固性能等，为月面建造的材料成形方法提供有利借鉴．3 空间站舱外暴露实验研究进展近地轨道航天器外部常受到空间环境挑战，空间环境包括近地轨道原子氧、紫外线和X射线辐射、带电粒子辐射、大温变和热循环及微流星体和碎片撞击等，使得材料产生氧化、侵蚀和开裂，从而导致材料发生严重的结构、热学或光学劣化 [26-28]．空间环境导致的材料劣化因材料类型、厚度、应力水平及持续时间的不同而有较大差异[27]．空间站舱外暴露实验为航天器材料在低轨道环境下长时间耐久性研究提供条件[29]，如舱外暴露实验平台已部署在中国空间站的外部，其上安装有效载荷适配器或大型有效载荷悬挂点[30]．目前舱外暴露实验主要分为聚合物材料类、碳复合材料类、金属材料类及无机非金属材料等．3.1　聚合物材料暴露实验研究进展日本宇航研究开发机构(JAXA)在国际空间站迎风暴露面和背风暴露面分别将气凝胶材料暴露315 d和865 d．如图7(a)所示，迎风面的气凝胶呈白色，显示出非常微小的裂缝，且直径小于20 μm；背风面的气凝胶表面呈淡黄色，出现若干细小的裂缝；第二次回收的样品显示更明显的黄色和更细的裂缝；同时，JAXA也在国际空间站背风暴露面将聚酰亚胺薄膜材料暴露865 d，发现样品表层有二氧化硅污染层(图7(b))，而未涂覆聚酰亚胺-硅氧烷保护层的样品表现出更大的太阳能吸收率的降低和质量损失[31-32]．10.13245/j.hust.240800.F007图7聚合物材料暴露实验NASA实施的MISSE-1，MISSE-2项目在国际空间站将多种聚合物薄膜暴露4 a，研究长时间空间环境对聚合物薄膜光学和机械性能的影响[33-38]．结果表明：暴露后样品的极限抗拉强度降低了30%~36%，伸长率降低了68%~78%，样品的太阳能吸收率略有增加，热反射率下降[33，35-37]．MISSE-5项目在国际空间站底部将聚合物薄膜拉伸试样暴露了13个月(图7(c)白色试样)[38-39]，发现聚四氟乙烯的抗拉强度下降了(30%~45%)，伸长率下降了24%~33%；芳香聚酰亚胺也经历了抗拉强度的损失18%~41%，伸长率下降21%~29%[39]．MISSE-6项目在国际空间站迎风面将不同受力状态下的聚合物薄膜暴露1.12 a[40-41]，如图7(d)和(e)所示，顶部约2/3暴露在MISSE 6背风面的空间环境中，而底部约1/3受到夹具的保护，暴露结果发现样品在受到应力时显示出开裂的迹象且表面已经发生了明显的原子氧侵蚀，而未受应力的样品表面只有轻微的变化[42-43]．MISSE-7项目在国际空间站迎风面、背风面及天顶面将多种聚合物材料暴露1.49 a[44]，暴露对其中两种聚合物(PVF和PP)的原子氧侵蚀率没有增加，而其他6种材料(CORIN，PE，PVOH，C-FEP，Al-FEP和TiO2/Al2O3/FEP)的原子氧侵蚀率随着太阳照射/原子氧丰度比的增加而增大．三种FEP材料在天顶面的原子氧侵蚀率都比迎风面的大一个数量级，表明太阳辐射和相应的温度效应在空间环境中对某些聚合物的侵蚀发挥重要作用[45-47]．MISSE-8项目在国际空间站迎风面、背风面及天顶面将聚四氟乙烯材料暴露2.14 a，发现聚四氟乙烯材料原子氧侵蚀率与太阳照射/原子氧丰度比直接相关，表明太阳照射引起的加热会侵蚀聚四氟乙烯材料[48-49]．将MISSE实验的暴露材料、时长及实验结论总结归纳如表1所示．10.13245/j.hust.240800.T001表1MISSE实验内容及结论开始时间项目名称暴露时长/a暴露材料实验结果2001-08MISSE-1&23.95聚合物薄膜抗拉强度、伸长率、热反射率下降，太阳能吸收率增加[33，35-37]2005-08MISSE-51.04聚四氟乙烯和芳香聚酰亚胺的薄膜拉伸试样抗拉强度、伸长率下降[39]2008-03MISSE-61.12不同受力状态下的聚合物薄膜有应力样品开裂，无应力样品表面仅轻微变化[40-41]2009-11MISSE-71.49不同暴露位置下的FEP材料太阳辐射和相应的温度效应对聚合物的侵蚀发挥重要作用[45-47]2011-05MISSE-82.14聚四氟乙烯材料材料原子氧侵蚀率与太阳照射/原子氧丰度比直接相关[48-49]JAXA和NASA开展了多次聚合物舱外暴露实验以研究太空环境材料耐久性问题．日本空间材料暴露实验和MISSE实验研究了原子氧的影响，如聚合物的侵蚀和破坏、原子氧散射及原子氧侵蚀的应力效应等．一些实验研究了太阳辐射效应，如辐射引起的聚合物收缩、聚合物辐射降解的应力效应、无机氧化物涂层等．MISSE 2聚合物实验包含了最广泛的聚合物暴露在相同的长时间低地球轨道原子氧条件下，并提供了多种不同聚合物的原子氧侵蚀率数据[50-51]．许多实验(如MISSE 6A聚合物应力应变实验)都是基于先前检索的MISSE实验对材料损伤的观察而设计的．3.2　碳复合材料和金属材料暴露实验研究进展国际空间站对碳复合材料试样开展了12 a暴露实验，结果表明：暴露和未暴露试样的薄层复合材料及其粘结接头的宏微观结构仅略微不同．暴露的KMU-4l碳复合材料与Amg6铝粘合接头的抗拉强度未产生变化，三点弯曲强度测试表明该材料强度未发生明显变化，显示了碳复合材料较好的抗暴露性能．在国际空间站功能货仓将抛光金属样品试样暴露12 a，最后在Al样品上发现陨石坑，在Ti表面发现低速粒子(图8)[52]．10.13245/j.hust.240800.F008图8碳复合材料和金属材料暴露实验[52]2022年11月，中国科学院武汉岩土力学研究所将48个月壤固化样品送达中国空间站，计划在空间站对月壤固化体开展暴露实验(图9)，旨在研究极端太空环境下月壤固化体力学损伤机制，揭示极端太空环境多因素耦合固化剂-月壤相互作用性能劣化机理，为月面地基加固选择最佳的固化剂材料[53]．10.13245/j.hust.240800.F009图9舱外暴露实验的月壤固化样品[53]上述研究将为月面建造中构件服役性能演化提供科学与技术支撑．如空间站暴露实验完成后，将其样品返回并开展分析与测量，包括力学、热学、光学等性质及表面形态、分子污染层轮廓等，这些结果和实验室的结果进行了比较研究[50]，获得多场耦合条件下暴露样品性能演化规律，预测推演暴露样品在空间环境下的长效服役行为．上述空间站实验研究将对延长空间系统的性能和寿命至关重要，如空间站、空间运输系统和月球、火星探测任务．4 总结与展望a．开展了不同材料、不同粒径的颗粒在低(微)重力下的流动、堆积、震动、崩塌及颗粒间相互影响的研究．空间站能够完成月面低重力和高真空环境耦合条件的颗粒运动研究，但目前缺乏尺寸分布广、流动性差的月面风化层颗粒的流变等实验研究，未来可以在空间站变重力实验设备中获取模拟月面环境下月壤颗粒滑坡流动的流变规律，同时开展钻探、挖掘、车轮(履带)等月面建造设施与月壤作用机制研究，指导月壤采集、运输等工作．b．开展了金属的凝固研究，并在磁场扰动、定向凝固过程、合金凝固生长特性等领域取得了重要成果，对空间环境下的材料熔融及凝固过程有着重要指导作用．目前空间站能够完成微重力(无容器条件)和高真空耦合条件的材料凝固研究．未来，一方面可通过变重力实验柜进行月面低重力条件的材料凝固研究；另一方面，考虑到月表极端高低温循环对材料凝固成形的影响，可开展低重力、高真空、大温变等多环境耦合下月壤成形过程及机理的研究探索，以开发出适应于月面环境下的月壤原位成形工艺，指导月壤高原位利用率的月面建造任务．c．开展了聚合物、金属、无机非金属等材料的舱外暴露实验，取得了相关进展，对空间材料的开发及材料空间性能预测有着重要作用．空间站可开展月壤成形样品的暴露实验，揭示极端环境下月壤构件性能劣化及其长期服役性能演化规律，指导月面建造材料、结构、工艺等的选择与优化．